Сбалансированные  УБТ (Рисунок 15) используют преимущественно  при роторном способе бурения.  

    

    Рисунок 15 — Сбалансированные УБТ 

 

6. Забойные двигатели.

    При бурении нефтяных и газовых скважин  применяют гидравлические и

 электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые — винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.   

6.1. Винтовой забойный двигатель

 

 Рабочим органом  винтового забойного двигателя  является винтовая пара: статор и ротор (рисунок 17).   

Рисунок 17 — Поперечное сечение рабочих  органов винтового двигателя

1 — статор; 2 — ротор  

    Статор  представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

    Ротор выполнен из высоколегированной стали  с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.

    Кинематическое  отношение винтовой пары 9:10 и соответствующее  профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления, и осуществляется рабочий процесс двигателя.

    Вращающий момент от ротора передаётся с помощью  двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резинометаллическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

    Когда двигатель работает с максимальным вращающим моментом, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью — экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

    Неэффективны  и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

     В ходе строительства скважины был  применен вращательный способ с использованием ВЗД и ротора.

ТУРБОБУРЫ

      Принцип действия

      Турбобур  представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

      Каждая ступень  турбины состоит из диска статора и диска ротора. В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток промывочной жидкости меняет свое направление и поступает в ротор.

      Так, последовательно перетекая из ступени  в ступень, жидкость отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате мощность, создаваемая всеми ступенями, суммируется на валу турбобура и, следовательно, на долоте. Создаваемый при этом в статорах вращающий момент воспринимается корпусом турбобура и бурильной колонной, а равный, но противоположно направленный вращающий момент, возникающий в роторах, передается через вал турбобура долоту.

      Характеристика турбины

      Работа  турбины характеризуется частотой вращения вала n, вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления Δр и гидравлическим коэффициентом полезного действия η_г.

      Изображается  характеристика турбины в виде кривых, построенных в прямоугольной системе координат по данным стендовых испытаний нескольких ступеней турбины или собранного турбобура. По оси абсцисс откладывается частота вращения вала турбины, а по оси ординат—остальные параметры, характеризующие работу турбины при постоянном расходе промывочной жидкости Q (рис.1).

       Различают два  режима работы турбины: тормозной, когда n=0, а М достигает максимального значения, и холостой, когда n достигает максимального значения, а М=0. В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором—совершенно снять нагрузку. На основании изложенного 
 

      Где М_т -тормозной момент; n_x —частота вращения вала турбины на холостом ходу. Следовательно,

        

       Мощность турбины 

      Выражение (3) представляет собой уравнение квадратичной параболы, из которого следует, что при n=0 и n=n_x мощность турбины также равна нулю. 
 
 

       Характеристика турбины турбобура 
 

      При Q=const 
 

                   М,N, _Δр, η_г

      N_max 
 

                       М                                        N

        
 
 

                  M_р 

                                                                                                          η_{г                      Δ}р

        
 
 
 

                                                   n    n₀ =n_x/2                       n_x      

      рис.1 
 

      Максимальное  значение мощности определится из уравнения

                                                  (4)                                                                                                                                                 

      Следовательно, при частоте вращения турбины  n=n₀ достигается максимальное значение мощности турбины

                                                       (5)                                                                                                           

      Затрачиваемая в турбине мощность N^/ ≡ ΔpQ и поэтому

          

                                                      (6)

      т. е. гидравлический к. п. д. турбины при Δp=const меняется при различных частотах вращения вала турбины так же, как и ее мощность, и максимальные значения N и η_Г достигаются при одинаковых n.

      Режим, при котором мощность турбины  достигает максимального значения, называется экстремальным, а тот, при котором коэффициент полезного действия турбины достигает максимального значения,— оптимальным.

      При работе на оптимальном режиме, т. е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данной подачи насоса, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине минимальны. Турбобур же наиболее устойчиво работает при экстремальном режиме, при котором небольшое изменение нагрузки на вал турбины (на долото) не приводит к сильному изменению частоты его вращения и, следовательно, к возникновению вибраций, наршающих работу турбобура.

      Принцип действия и конструктивные особенности. Рабочим органом винтового забойного двигателя является винтовая пара: статор и ротор.

      Статор  представляет собой металлическую  трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев (как правило) левого направления, обращенных к ротору.

      Ротор выполнен из высоколегированной стали  с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.

      Правильно подобранное кинематическое отношение винтовой пары и применение соответствующего профилирования ее зубьев обеспечивают при движении промывочной жидкости планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

      Характеристика  двигателя. Типичная характеристика винтового забойного двигателя при постоянном расходе промывочной жидкости представлена на рис.2. Как видно из рис.2, по мере роста момента М перепад давления в двигателе Δр увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя n снижается вначале незначительно, а при торможении—резко. Зависимости изменения мощности двигателя N и к. п. д. η_г от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным η_г, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью—экстремальным. 
 
 
 
 
 

      Гидравлическая  характеристика забойного винтового  двигателя 

                N,n,Δp,η_г                                           Q=const

        

                                                          n              Δp

      

                                                                                             N 
 

                                                        η_г   

        

                                                                                                  М     

                    а                                            б     в                  г       

      а-режим  холостого хода (М=0;n=max);

      б-оптимальный  режим (η_г=max);

        в-экстремальный режим (N=max);

      г-тормозной  режим (n=0; M=max). 

      Рис. 2 

      Увеличение  нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и

      к резкому ухудшению его характеристики.

      Неэффективны  и нагрузки на долото, при которых  момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

      Приемущества:

      -n=80-120 об/мин т.е. увеличивается срок службы долот;

      -устойчивая работа двигателя в интервале (б,в) см.рис.2 с к.п.д. равным 0,5 –0,55.

      Недостатки:

      -небольшой  межремонтный период: изнашивается  статор и разбиваются подшипники  вала шпинделя;

      -требуют  низкого диапазона расхода Q;

      -при  использовании наполнителей забивается ротор.

        ЭЛЕКТРОБУРЫ

        Электробур состоит из электродвигателя, шпинделя и системы защиты этих механизмов от проникновения промывочной жидкости.